سلام ودرود خدمت دنبال کنندگان سایت آسفالت ایران امروز مطلبی در مورد آزمایش برش مستقیم خاک براتون آوردیم. ازمایش برش مستقیم خاک برای تعیین مقاومت برشی تحکیم یافته-زهکشی شده مصالح خاکی در برش مستقیم کاربرد دارد. این آزمایش برش مستقیم خاک، با تغییر شکل یک نمونه در شرایط کنترل کرنش یا در نزدیکی یک صفحه برش منفرد که به واسطهٔ پیکره بندی و چیدمان دستگاه تعیین میشود، انجام میگردد.
به طور کلی، تعداد ۳ نمونه یا بیشتر، هر یک تحت یک بار نرمال مختلف، به منظور تعیین اثرات این بار، بر مقاومت برشی و تغییرمکان و ویژگی های مقاومتی، مانند پوش مقاومت موهر، مورد آزمایش قرار می گیرند. تنش های برشی و تغییر مکان ها، به صورت غیریکنواخت در نمونه توزیع میشوند.
برای محاسبه کرنش های برشی، نمیتوان نرخ ارتفاع ثابت و مناسبی از ضخامت نمونه را تعریف نمود بنابراین روابط تنش- کرنش یا هر مقدار مربوطه مانند مدول را نمیتوان با استفاده از این آزمایش تعیین نمود. این آزمایش میتواند بر روی نمونه های دست نخورده یا با داشتن وزن مخصوص و درصد رطوبت بر روی نمونه های دست خورده انجام گیرد.
معایب آزمایش برش مستقیم خاک
- تحمیلی بودن صفحه گسیختگی؛
- تخریب زیاد نمونه؛
- مقاومت ماندگاری کم؛
- قابل اندازه گیری نبودن فشار آب حفره ای؛
- عدم امکان محاسبه وضعیت تنش ها در هر نقطه از نمونه و در هر مرحله از آزمایش؛ و
- عدم یکنواختی توزیع تنش
مزایای آزمایش برش مستقیم خاک
- سهولت کاربرد؛
- سریع بودن؛
- اشباع سریع و زهکشی مناسب تر، نسبت به آزمایش سه محوری (زمان آزمایش برش، یک سوم زمان آزمایش سه محوری است)
تعاریف
مقاومت برشی توده خاک: مقاومت داخلی واحد سطح خاک در برابر گسیختگی یا لغزش، در امتداد هر صفحهٔ داخلی واقع در توده خاک.
تغییرمکان جانبی نسبی: تغییر مکان افقی نیمه های بالا و پایین جعبه برش.
گسیختگی (شکست): گسیختگی متناظر با تنش برشی حداکثر حاصل یا تنش برشی در ۱۵ یا ۲۰ درصد تغییر مکان جانبی نسبی در نظر گرفته می شود.
شرح مختصری از روش آزمون برش مستقیم خاک
برای انجام آزمایش خاک ممکن است به دستگاه برش مستقیم خاک نیاز دارید، که این دستگاه در دو مدل دستگاه برش مستقیم 10*10 و دستگاه برش مستقیم 30*30 در آسفالت ایران موجود است.
- دستگاه برش مستقیم خاک را در آسفالت ایران ببینید.
مراحل کلی انجام آزمایش به شرح زیر است:
- با توجه به روش آزمایش UU یا CD نمونه را داخل قالب و جعبه برش بازسازی کرده و در روش CD حوضچه قالب را از آب پر می کنیم؛
- جهت فاز تحکیم در روش CD پس از بارگذاری، اهرم اعمال بار بازو را آزاد کرده و همزمان کرنومتر (زمان سنج) را فعّال می کنیم تا مقادیر نشست را یادداشت کنیم؛
- در پایان فاز تحکیم، سرعت واقعی گسیختگی از محاسبات مربوطه حاصل می شود؛
- به ازای مقادیر تغییر شکل (جابجایی) افقی، نیروسنج را یادداشت مینماییم. همزمان، کرنش سنج قائم نیز قرائت می شود؛
- با توجه به نکات ذکر شده در بخش نکات فنی و کارشناسی ،در صورت وقوع یکی از ۳ شرط پایان ،آزمایش گسیختگی و برش حادث شده و آزمایش به اتمام می رسد؛
- نمونه های کنترل درصد رطوبت، قبل و بعد از آزمایش برش مستقیم خاک جهت صحت آزمایش، اخذ می گردند؛
- در روش UU،حوضچه جعبه برش آب ندارد و نمونه با رطوبت طبیعی یا رطوبت مورد نظر آزمایش می گردد؛
- مقادیر تجربی و محاسباتی سرعت گسیختگی در بخش نکات فنی و کارشناسی بیان شده است؛
- آزمایش برش مستقیم خاک، حداقل به ازای ۳ تنش قائم انجام میگردد و بر این اساس، قادر به ترسیم خط پوش موهر-کلمب می باشیم؛ و
توجه: مشخصات فنی و مهندسی خط پوش، در بخش نکات فنی و کارشناسی ذکر شده است.
- انتخاب و محاسبه تنش های قائم آزمایش برش مستقیم خاک نیز، بر اساس رابطهٔ تعیین فشار در بخش نکات فنی و کارشناسی بیان شده است.
نکته به دلیل این که در حین بارگذاری با تجهیزات دستگاه برش مستقیم، قادر به اندازه گیری فشار آب حفره ای نیستیم، بنابراین روش علمی UU قابل تحلیل و تفسیر نمی باشد.
راه حل تقریبی به صورت عملی:
- ابتدا فشار نرمال اولیه (معادل فشار حین آزمایش برش مستقیم خاک)، پس از استقرار نمونه در جعبه اعمال می شود.(حوضچه از آب پر است). جهت تحکیم نمونه، صفحات متخلخل، در بالا و پایین قرار می گیرند. پس از پایان تحکیم (آرام شدن حرکت عقربه گیج کرنش سنج قائم)، صفحات مشبک را با دقت کافی و سریع جدا نموده و به جای آنها، صفحات شیاردار غیر مشبک قرار می گیرند تا شرایط غیر زهکشی فراهم گردد.
روش آزمایش برای خاک های دانه ای غیر چسبنده غیر اشباع
- مقداری خاک دانه ای (ماسه یا شن) خشک را داخل قالب یا جعبه نمونه گیری مشابه با حداکثر انرژی تراکمی کوبیده و آن را توزین می کنیم، سپس همان میزان خاک دانه ای داخل جعبه برش اصلی دستگاه برش مستقیم خاک به صورت متراکم جای می گیرد؛
- مراحل نصب یوغ بارگذاری، گرفتن خلاصی، تراز کردن و قفل نمودن بازو، اعمال وزنه های سربار، نصب گیج های کرنش سنج افقی (نیروی برشی) و قائم (اندازه گیری نشست) طی می شوند؛
- به علت دانه ای بودن مصالح، فقط نشست آنی داشته و نشست تحکیمی نخواهیم داشت؛و
- عملیات بارگذاری و گسیختگی را در ۳ نوبت، روی یک نمونۀ مصالح، با ۳ مقدار تنش قائم افزایشی متفاوت انجام می دهیم.
روش آزمایش برای خاک های دانه ای (غیرچسبنده) اشباع
- جعبه برش و حوضچه را از آب پر میکنیم تا نمونه اشباع گردد؛
- در صورت بکارگیری سنگ متخلخل صفحات ،مشبک آنها را در آب خیس نموده و سپس استفاده میکنیم؛ و
- سایر موارد مشابه بند قبل می باشد.
نکته: برای خاک های دانه ای (غیر چسبنده) معمولاً خط پوش موهر-کلمب، از مبدأ مختصات می گذرد و چسبندگی برابر صفر حاصل میشود(C=0).
نکته: در خاک های غیر چسبنده مرطوب، به علت وجود خاصیت نیروی کشش سطحی آب و دانه های خاک، مقداری چسبندگی کاذب به وجود می آید. اگر این مقدار چسبندگی در حدود 0/1 تا 0/2 کیلوگرم بر سانتیمتر مربع باشد، از آن صرف نظر میگردد، ولی اگر مقدار آن بیش از مقدار مذکور باشد بایستی علت را جستجو کرده و موضوع را برطرف نمود.
برای انجام دادن آزمایش های خاک ما به تجهیزات آزمایشگاه خاک نیاز داریم که باید دارای استاندارد جهانی ASTM باشند که در باید از فروشگاه های معتبر مثل آسفالت ایران تهیه کنیم.
محاسبات آزمایش برش مستقیم خاک
تنش برشی اسمی: تنش برشی اسمی وارد بر نمونه به صورت زیر تعیین می شود:
در رابطهٔ فوق:
t تنش برشی اسمی بر حسب پوند بر اینچ مربع یا کیلوپاسکال
F نیروی برشی بر حسب پوند یا نیوتن و
A مساحت اولیه نمونه بر حسب اینچ مربع یا میلیمتر مربع
تنش نرمال: تنش (قائم) وارد بر نمونه ،عبارت است از:
در رابطهٔ فوق:
تنش نرمال، بر حسب پوند بر اینچ مربع یا کیلوپاسکال؛ و
N نیروی قائم وارد بر نمونه، بر حسب پوند یا نیوتن
نرخ تغییرمکان: نرخ واقعی تغییرمکان، با تقسیم تغییر مکان جانبی نسبی بر زمان سپری شده، به صورت زیر محاسبه می شود یا نرخ مورد استفاده برای آزمایش گزارش میگردد:
در رابطهٔ فوق:
نرخ تغییر مکان بر حسب اینچ بر دقیقه یا میلیمتر بردقیقه؛
Dh تغییر مکان جانبی ،نسبی بر حسب اینچ یا میلیمتر؛ و
Te زمان سپری شده آزمون بر حسب دقیقه.
سایر موارد: نسبت تخلخل اولیه، مقدار ،آب وزن مخصوص خشک و درجهٔ اشباع بر اساس چگالی ویژه و جرم کل نمونه محاسبه می.شوند حجم ،نمونه با اندازه گیری طول یا قطر جعبه برش و ضخامت اندازه گیری شده نمونه تعیین میگردد.
ویکی پدیا نیز در مورد آزمایش برش مستقیم خاک صحبتی کرده است.
گزارش آزمایش برش مستقیم خاک
گزارش آزمایش برش مستقیم باید شامل موارد زیر باشد:
- مشخصات نمونه پروژه و محل آن؛
- نوع دستگاه برش مورد استفاده در آزمایش؛
- تشریح نظری نمونه،بر اساس استاندارد ASTM-D2488 (می توان از روش آزمون استاندارد ASTM-D2487 نیز،به عنوان جایگزین استفاده نمود)،حدود آتربرگ(روش آزمون ASTM-D4318) و داده های اندازه ذررات (به روش ASTM-D422)، در صورتی که تعیین شده باشند؛
- شرح ساختار خاک (نحوه تهیه نمونه: دست نخورده ،دست خورده، متراکم و…)؛
- مقدار آب اولیه و نهایی؛
- وزن خشک و وزن مخصوص مرطوب اولیه و نهایی؛
- وزن مخصوص خشک اولیه و نهایی؛
- ضخامت اولیه و قطر نمونه (عرض برای جعبه های برش مربعی)؛
- تنش نرمال، نرخ، تغییر شکل تغییرمکان برشی و مقادیر تنش برشی اسمی مربوطه و تغییرات ضخامت نمونه؛
- ترسیم لگاریتم زمان یا جذر زمان، در مقابل تغییر شکل افزایش های بار که در آن t 50،(زمان مورد نیاز برای رسیدن نمونه به 50درصد تحکیم ،تحت تنش نرمال مشخص یا افزایش های بار مربوطه) تعیین شده است؛
- ترسیم تنش برش اسمی،در مقابل درصد تغییر مکان جانبی اسمی ؛و
- سایر موارد مانند توالی های بارگذاری خاص یا الزامات خاص مرطوب نمودن نمونه،که خارج از بند های مندرج در روش آزمون هستند.
نکات فنی و کارشناسی مرتبط با آزمایش برش مستقیم خاک
- طبق نظریه موهر – کلمب تنش قائم و تنش برشی حداکثر، هیچ یک به تنهایی سبب گسیختگی خاک نمیشوند، بلکه ترکیبی بحرانی از آنها است که گسیختگی خاک را باعث می گردد. طبق این نظریه در یک توده خاک وقتی گسیختگی رخ میدهد که در یکی از صفحات آن، بین تنش برشی و تنش قائم رابطه زیر برقرار گردد:
در رابطه فوق:
Tf: تنش برشی که سبب گسیختگی در توده خاک شده است و به آن مقاومت برشی خاک می گویند؛
C: چسبندگی؛
: تنش قائم در صفحه گسیختگی؛ و
: زاویه اصطکاک داخلی ذرات توده خاک
این رابطه نشان می دهد که Tf، تابعی خطی از است و پارامترهای این خط و C می باشند که به آنها پارامترهای مقاومت برشی گفته میشود.
- لازم به ذکر است که آزمایش زهکشی شده، به آزمایشی میگویند که در آن، سرعت بارگذاری انقدر پایین است که اجازه زهکشی و از بین رفتن اضافه فشار آب حفره ای در نمونه داده شود. بنابراین، اگر نمونه مورد آزمایش، ماسه ای، باشد در آن صورت، به علت نفوذ پذیری بالا در خاک های ماسه ای، زهکشی سریعاً انجام شده و اضافه فشار آب حفره ای، به سرعت صفر میگردد. لذا، آزمایش چندان وقت گیر نخواهد بود و با سرعت بارگذاری معمولی، شرایط زهکشی کامل برقرار می باشد، ولی در خاک های رسی چون نفوذپذیری پایین است زهکشی و زایل شدن اضافه فشار آب حفره ای، مدت مدیدی به طول می انجامد. بنابراین اعمال نیروی برشی بایستی به آهستگی صورت گیرد و این سبب وقت گیر بودن آزمایش میشود.
بر حسب تجهیزات مورد استفاده در آزمایش برش مستقیم خاک، این آزمایش می تواند با کنترل تنش و یا کنترل تغییر شکل (کرنش) باشد. در آزمایش با کنترل تنش، نیروی برشی اعمال شده، با گام های مساوی و به طور کنترل شده وارد میگردد و تغییر شکل های به وجود آمده، در هر مرحله اندازه گیری میشوند، ولی در آزمایش با کنترل تغییر شکل، یک موتور الکتریکی، تغییر شکل هایی کنترل شده بر نمونه اعمال می کند و نیروی برشی نظیر هر تغییر شکل، توسط یک حلقه اندازه گیر افقی اندازه گیری می شود.
_________________________________________________________________
مطالب مرتبط با این مقاله
_________________________________________________________________
آسفالت ایران
همانطور که ممکن است انتظار داشته باشید، آسفالت ایران منبع مهمی برای اطلاعات مفید در مورد آزمایشات خاک است. امیدواریم این مقاله به شما برای نحوه انجام آزمایش برش مستقیم خاک و درک آزمایش برش مستقیم و نحوه انتخاب تجهیزات آزمایش کمک کند. همچنین این مقاله از کتاب راهنمای جامع آزمایشگاه مکانیک خاک، مهندسی خاک و ژئوتکنیک بر گرفته شده است.